Электрические характеристики передающих антенн

Якісні характеристики передавальних антен

Рассмотрим некоторые характеристики, определяющие качество передающих антенн. В первую очередь обратимся к электрическим параметрам, которые характеризуют передающие антенны с точки зрения эффективности преобразования энергии высокочастотного тока в энергию электромагнитных волн.

1. Излучаемая мощность — мощность электромагнитных волн, излучаемых антенной в свободное пространство.

Это активная мощность, так как она рассеивается в пространстве, окружающем антенну. Следовательно, излучаемую мощность можно выразить через активное сопротивление, называемое сопротивлением излучения, следующим соотношением:

(2)

где I_е — действующее значение тока в антенне.

Сопротивление излучения, являясь активным, не вызывает преобразования электрической энергии в тепловую. Оно характеризует способность антенны к излучению электромагнитной энергии — при данном токе, возбуждаемом в антенне. Количественно сопротивление излучения определяется как активное сопротивление, на котором выделяется мощность, численно равная излучаемой мощности, если ток в этом сопротивлении равен току в антенне.

Из этого определения следует, что сопротивление излучения в большей степени характеризует качество антенны, чем излучаемая ею мощность, так как последняя зависит не только от свойств антенны, но и от тока, создаваемого в ней.

2. Мощность потерь Р_п — мощность, бесполезно теряемая передатчиком во время прохождения тока по проводам антенны, в земле и в предметах, расположенных вблизи антенны.

Эта мощность также является активной и может быть выражена через активное сопротивление, называемое сопротивлением потерь:

Сопротивление потерь характеризует величину мощности, которая теряется в процессе преобразования энергии в антенне, когда ток в ней имеет вполне определенную величину.

3. Мощность в антенне Р_а — мощность, подводимая к антенне от передатчика. Эту мощность можно представить в виде суммы излучаемой мощности и мощности потерь, т.е.

(3)

Мощности в антенне соответствует активное сопротивление

(4)

Сопротивления R_a, R_Σ, R_n являются основными параметрами антенны.

Следует заметить, что, так как ток на различных участках антенны неодинаков, то величины этих параметров зависят от того, к какому сечению антенны они отнесены. Обычно сопротивления R_a, R_Σ, R_n относят к максимальной амплитуде тока антенны или к току в основании антенны (на зажимах генератора).

4. КПД антенны — отношение излучаемой мощности к мощности, подводимой к антенне:

(5)

Из этой формулы видно, что для увеличения КПД антенны необходимо увеличивать сопротивление излучения и уменьшать сопротивление потерь.

5. Входное сопротивление антенны — сопротивление на входных зажимах антенны.

В общем случае антенна, как всякий колебательный контур, представляет собой комплексную нагрузку для генератора, т.е. ее входное сопротивление имеет реактивную Х_вх и активную R_вх составляющие. В целях увеличения эффективности антенны ее настраивают в резонанс с частотой колебаний генератора. При резонансе Х_вх=0, и антенна, следовательно, представляет для генератора чисто активную нагрузку.

6. Направленность антенны — способность антенны излучать электромагнитные волны в заданных направлениях.

Это свойство антенны характеризуется плотностью потока излучаемой антенной мощности, т. е. мощностью электромагнитных волн, проходящих через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны. В разных направлениях плотность потока мощности направленной антенны имеет различную величину.

О направленных свойствах антенны судят по форме ее диаграммы направленности и ряду численных показателей, например ширине диаграммы направленности, коэффициентам направленного действия и усиления антенны.

Ознакомимся с этими характеристиками направленности антенны.

Диаграммой направленности антенны называется диаграмма, на которой графически представлена величина плотности потока излучаемой мощности в разных направлениях. Очевидно, что при снятии диаграммы направленности плотность потока мощности должна измеряться на одинаковом расстоянии от антенны.

Диаграммы направленности строят в полярной или прямоугольной системе координат (рис. 7). В полярной системе координат диаграммы выполняются следующим образом: под углом к исходному направлению (например, 9 =0, 15, 30, 45°,…) откладывают радиус-вектор, длина которого пропорциональна плотности потока излучаемой мощности в направлении данного радиуса, а затем концы этих радиусов-векторов соединяют плавной линией.

В прямоугольной системе координат по оси абсцисс откладывается угол, характеризующий направление в соответствующей плоскости, а по оси ординат — излучаемая мощность. Диаграммы направленности, выполненные в полярных координатах, отличаются большой наглядностью, поскольку они дают возможность представить, как изменяется интенсивность поля в пространстве. Диаграммы направленности в прямоугольной системе координат могут иметь любой масштаб по обеим осям, благодаря чему они отличаются большой четкостью, даже в области малой интенсивности электромагнитного поля.

Диаграмма направленности антенны часто бывает многолепестковой (рис. 8). Одним из требований, предъявляемых к такой антенне, является предельное ослабление боковых лепестков в ее диаграмме направленности. Если это требование не выполняется, то часть излучаемой мощности рассеивается бесполезно в боковых направлениях.

Когда речь идет о направленных свойствах антенны, то обычно интересуются не абсолютной величиной плотности потока излучаемой мощности, а характером ее распределения в различных направлениях. Поэтому на практике широко пользуются нормированными диаграммами направленности, в которых величины, характеризующие мощность излучения P_Σ, выражены относительно максимальной величины этой мощности P_Σmax, т.е. отношением P_Σ / P_Σmax. (см. рис. 8 б).

Пользование диаграммой направленности значительно упрощается применением логарифмической шкалы измерения уровней излучения. По этой шкале единицами измерения служат Непер и децибел. Непер (неп) является единицей, которой выражается натуральный логарифм отношения любых однородных величин, а децибел (дБ) равен десятой доле бела (б), который является единицей десятичного логарифма отношения мощностей:

(6)

Так как мощность пропорциональна квадрату напряжения, тока или напряженности поля, то при измерении относительных величин напряженностей поля

(7)

Имея в виду, что натуральный логарифм любого числа в 2,3 раза больше десятичного логарифма того же числа, можно записать

(8)

Следовательно,

1 неп = 8,686 дБ.

В табл. 1 приведены соотношения между уровнем N, выраженным в дБ, и отношениями мощностей P_Σmax / P_Σ и напряженностей поля E_max. /E.

Согласно диаграмме направленности, приведенной на рис. 9, первый боковой лепесток имеет уровень на 30 дБ ниже, чем главный лепесток. Это значит, что в направлении максимума первого бокового лепестка напряженность поля в 31,6 раза, а плотность потока излучаемой мощности в 1000 раз меньше, чем в направлении главного лепестка.

Шириной диаграммы направленности антенны называется угол, в пределах которого мощность потока излучаемой мощности менее ее максимального значения не более чем в 2 раза (3 дБ). Например, ширина диаграммы направленности, приведенной на рис. 7, 2Θ=120°, а на рис. 9 2φ= 2,5°.

Иногда отсчет ширины диаграммы направленности антенны производится на другом уровне, например, на нулевом или на уровне 0,1 от максимума.

Очень широко применяются диаграммы направленности, снятые по напряженности электрического или магнитного полей. Так как мощность электромагнитной волны, как показано ниже, пропорциональна квадрату напряженности поля, то угол, определяющий ширину диаграммы направленности по напряженности, будет соответствовать напряженности поля в направлении максимального излучения.

Коэффициентом направленного действия D называется отношение плотности потока мощности, излучаемой данной антенной в определенном направлении, к плотности потока мощности, которая излучалась бы абсолютно ненаправленной антенной в любом направлении при условии равенства общей излучаемой мощности в обеих антеннах. Наибольший интерес представляет коэффициент направленного действия D в направлении максимального излучения антенны, т. е. .

Этот коэффициент впервые введен А. А. Пистолькорсом в 1929 г.

Коэффициентом усиления антенны G называется произведение коэффициента направленного действия антенны D на ее КПД

Этот коэффициент дает более полную характеристику антенны, он учитывает, с одной стороны, концентрацию энергии в определенном направлении благодаря направленным свойствам антенны, а с другой, — уменьшение излучения вследствие потерь мощность в антенне.

Коэффициент усиления является мерой направленности антенны. Данный параметр определяется как отношение мощности сигнала, излученного в определенном направлении, к мощности сигнала, излучаемого идеальной ненаправленной (изотропной) антенной в любом направлении. Если, например, коэффициент усиления антенны равен 3 дБ, это означает, что ее сигнал сильнее сигнала изотропной антенны в данном направлении на 3 дБ (в 2 раза). Увеличение мощности сигнала в одном направлении возможно лишь за счет остальных направлений распространения. Другими словами, увеличение мощности сигнала в одном направлении влечет за собой уменьшение мощности в других направлениях. Необходимо отметить, что коэффициент усиления характеризует направленность сигнала, а не увеличение выходной мощности по отношению к входной (как может показаться из названия), поэтому данный параметр часто еще называют коэффициентом направленного действия.

Эффективная площадь антенны связана с предыдущим параметром и также зависит от размеров и формы антенны. Отношение между коэффициентом направленного действия антенны и ее эффективной площадью можно записать в следующем виде:

Здесь

D — коэффициент направленного действия антенны .

А_e — эффективная площадь .

f — несущая частота .

с — скорость света (~ 3´10⁸ м/с) .

λ— длина волны несущей.